Балансовые расчёты для оценки возможности загрязнения вод на площадке золоотвала

Главный гидрогеолог - Воронин Василий Леонидович

Введение

При проектировании сооружений, которые являются потенциальными источниками загрязнения природных вод, ключевым вопросом является возможность проникновения загрязнения в подземные воды и дальнейшего распространения с подземными водами в защищаемые объекты: водоемы, водотоки и водозаборы подземных вод. Эта задача должна решаться на основе детального анализа гидрогеологических условий, исследования скоростей и направлений потоков подземных вод, фильтрационных свойств водовмещающих отложений их сорбционных свойств и других параметров, определяющих миграцию потенциального загрязнения. К сожалению, получение этой информации зачастую требует затрат, многократно превышающих средства, выделяемые на изыскания, да и сами изыскания нередко проводятся недостаточно квалифицированно, что сильно затрудняет использование их результатов. В условиях дефицита информации, геофильтрационное и геомиграционное моделирование, с помощью которого обычно оценивается опасность миграции загрязнения, дает неоднозначные результаты, не позволяющие принять обоснованные решения о возможности строительства объекта и необходимости защитных мероприятий. Анализ балансовой структуры потоков подземных вод, который является необходимым этапом обоснования гидрогеологических моделей, позволяет оценить максимальные величины расхода потоков подземных вод и предельные значения скоростей фильтрации. Использование этих величин само по себе даёт предельную оценку возможности распространения загрязнения и позволяет оценить опасность потенциального загрязнения от проектируемого сооружения.

В представленной работе на примере проектируемого золоотвала представлен подход в использовании балансовых оценок для решения вопроса об опасности объекта с точки зрения загрязнения подземных вод.

Характеристика объекта

Из-за сильно изрезанного рельефа местности, единственным местом расположения золоотвала проектируемой ТЭЦ, выбрана площадка в долине при слиянии двух малых рек в 1,5 км вше места впадения в море. Такое расположение золоотвала обуславливает возможность загрязнения подземных вод, а через них — речных и морских вод. Площадка имеет форму треугольника, вытянутого в направлении запад–восток (рис. 1). На площадке по рельефу выделяется два участка. На западном участке, на котором будет располагаться первая очередь золоотвала, поверхность земли представляет собой плоскую пойменную террасу с отметками поверхности от 1 до 5 м. На восточном участке поверхность земли представляет собой склон, поднимающийся до отметок 35 м. На второй очереди заполнения золоотвала складирование золы будет производиться на обоих участках до достижения отметки в 27 м.

В геологическом строении верхней части разреза принимают участие отложения четвертичного возраста, представленные слоем слаборазложившихся торфов мощностью от 0,3 до 2,7 м при среднем значении в 1,2 м. Ниже залегают аллювиальные и делювиальные пластичные суглинки мощностью от 3,8 до 13,2 м при среднем значении 10,4 м. Общая мощность слабопроницаемых четвертичных отложений составляет от 4,2 до 14,2 м при среднем значении 11,6 м. Ниже залегают трещиноватые аргиллиты неогенового возраста, в которых формируется регионально развитый водоносный горизонт.

Проницаемость четвертичных отложений была оценена по результатам лабораторных испытаний, а также опытно-фильтрационных работ: одиночных откачек и наливов в скважины. Для торфов коэффициент фильтрации составляет 0,28 м/сут., для суглинков — от 0,0005 до 0,06 м/сут, при среднем значении 0,016 м/сут.

Рис. 1. Схема размещения золоотвала.

Удаление золы на проектируемой ТЭЦ будет производиться пневматическим способом. Зола в сухом состоянии будет доставляться на площадку золоотвала. Формирование фильтрата будет происходить при промачивании золы атмосферными осадками. Для предотвращения загрязнения поверхностных вод золоотвал будет оконтурен дамбой из слабопроницаемых суглинков. Для предотвращения фильтрации под дамбой через слой относительно проницаемых торфов, слой торфов под дамбой будет извлекаться.

Был проведён химический анализ водной вытяжки из золы углей, которые будут использоваться на проектируемой ТЭЦ. Анализ показал, что в водной вытяжке, в концентрациях, превышающих ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения будут присутствовать: хром в концентрации 0,11 мг/л (при величине ПДК в 0,02 мг/л), молибден — 0,57 мг/л (ПДК — 0,001 мг/л), селен — 0,0053 мг/л (ПДК — 0,002 мг/л), ванадий — 1,1 мг/л (ПДК — 0,001 мг/л), вольфрам — 0,046 мг/л (ПДК — 0,0008 мг/л). Таким образом, в фильтрате золоотвала наибольшее превышение допустимых концентраций будет наблюдаться по ванадию — в 1100 раз и молибдену — в 570 раз.

Скорость распространения загрязнения при миграции через водонасыщенные породы определяется скоростью фильтрации и сорбционной ёмкостью грунтов, которая для схемы поршневого вытеснения может быть выражена через величину эффективной пористости. Величина эффективной пористости, определённая в лабораторных экспериментах составляет по ванадию для торфа 206, для суглинка — 198, по молибдену — для торфа — 96, для суглинка — 15.

Оценка водного баланса золоотвала

В процессе строительства и эксплуатации золоотвала можно выделить три периода, в течение которых, структура и распределение воды по участку будет существенно отличаться (рис. 2):

– заполнение I очереди золооотвала;

– заполнение II очереди золоотвала;

– завершение эксплуатации золоотвала.

shema_balance_article_ок.jpg

Рис. 2. Схема формирования баланса подземных вод в теле золоотвала на разных этапах его заполнения.

В период заполнения I очереди золоотвала (до отметки + 13,5 м) складирование золы будет производиться только в западной, пониженной части участка. Так как территория золоотвала будет окружена дамбами, вся вода, поступающая с атмосферными осадками, будет оставаться в границах участка и расходоваться на испарение и инфильтрацию. При этом осадки, попадающие на восточную, возвышенную часть участка, будут расходоваться на испарение, инфильтрацию и, частично, с поверхностным стоком перемещаться на западную, низинную часть участка, где вся вода будет израсходована на испарение и инфильтрацию.

В период заполнения II очереди золоотвала вся поверхность будет выровнена, и перераспределение воды с поверхностным стоком внутри территории не будет происходить. При этом инфильтрация в водоносный горизонт будет довольно равномерно происходить по всей территории золоотвала.

После заполнения и рекультивации поверхности золоотвала, огораживающие дамбы не будут препятствовать поверхностному стоку воды. В этих условиях инфильтрация воды в водоносный горизонт по величине будет близка к естественным значениям.

Во всё время заполнения золоотвала вода, поступающая на его территорию будет накапливаться в толще золы и перераспределяться там, формируя техногенный водоносный горизонт. Поэтому перетекание загрязнённых вод в нижележащие отложения можно рассматривать равномерным в течение года. Такие условия не будут выполняться на начальном этапе сооружения золоотвала, когда вода, поступающая в многоводные периоды года, будет стекать в понижения и формировать там столб воды, вызывающий более интенсивное локальное перетекание в эти периоды. Поэтому при рассмотрении водного баланса золоотвала начальный период рассматривается отдельно.

Площадь участка в границах внешней дамбы обвалования составляет 72 га. Территория имеет уклон с востока на запад. Перепад высот составляет 34 м., что соответствует общему уклону 0,02. Уклон поверхности неравномерный. Западная часть на площади 39,8 га имеет пологий рельеф с абсолютными отметками 1 – 5 м. Уклон здесь составляет 0,005, а восточная, площадью 32,3 га, поднимается до абс. отм. 34 м и уклон здесь увеличивается до 0,03. Переход от пологой части участка к возвышенной происходит довольно резко, на расстоянии 200 м абсолютные отметки возрастают с 4 до 16 м.

Принимая во внимание, что миграционные процессы будут протекать длительный промежуток времени, измеряемый десятилетиями, водный баланс для данной территории рассматривался для года 50 % обеспеченности (среднемноголетний).

Уравнение водного баланса в общем виде имеет вид:

Х = У+ Z ± W,

где: Х — атмосферные осадки; Z — испарение; У — полный поверхностный сток; W —инфильтрация в подземные воды.

Среднемноголетняя годовая норма атмосферных осадков составляет 753 мм. Распределение осадков по месяцам представлено в табл. 1. Среднемноголетняя величина испарения определена по картам испаряемости (Е_о) и величины относительного испарения Е/Е₀ [Методика расчёта…, 2005].

Таблица 1.

Среднемноголетние величины осадков и испаряемости

Месяц	I	II		III		IV	V		VI		VII		VIII	IX		X		XI		XII	Год
Осадки, мм	57	32		42		52	62		49		74		76	100		77		72		60	753
Месяц	XII-III		IV		V			VI		VII		VIII			IX		X		XI		Год
Испаряемость, мм	30		40		70			80		90		80			40		10		8		448

Годовая испаряемость составляет 448 мм. При принятом отношении Е/Е_о– 0,8 величина испарения принята равной 358 мм

Полный поверхностный сток рассчитан по формуле У = 31,54 М, где М – модуль стока (л/с×км²). Расчетный модуль стока, определённый по картам [Пособие по определению…, 1984; Определение расчётных…, 1985] и скорректированный на относительную высоту водосбора, принят равным 10 л/с×км². Полный поверхностный сток (У) составляет 315 мм.

Водный баланс золоотвала на первом этапе заполнения представлен в таблице 2.

Таблица 2.

Водный баланс золоотвала на первом этапе заполнения

	Восточный участок F = 32,3 га		Западный участок F = 39,8 га
Ед. измерения	мм	10³ м³	мм	10³ м³
Приход
Атмосферные осадки	753	242	753	299
Поверхностный приток	—	—	264	102
Расход
Испарение	358	113	358	139
Поверхностный сток	307	102	—	—
Инфильтрация	88	27	659	262

При заполнении золоотвала выше отметок 13,5 м территория участка может рассматриваться как плоская поверхность. Для учета характера поверхности золоотвала на стадии эксплуатации вводится поправочный коэффициент к величине относительного испарения в зависимости от определения вида поверхности. Для спланированной грунтовой поверхности коэффициент принимается равным 0,56.

Составляющие среднегодового водного баланса на этой стадии заполнения: атмосферные осадки — 753 мм; поверхностный сток — 0; испарение с поверхности золы — 251 мм. Инфильтрация в подземные воды составит 753 – 251 = 502 мм.

После полного заполнения золоотвал будет представлять собой террикон. Полный поверхностный сток принимается равным 315 мм, испарение принимается равным 251 мм. Инфильтрация в подземные воды составит 753 – 315 – 251 = 187 мм.

Оценка скорости фильтрации через покровные отложения

Загрязнение подземных вод на участке золоотвала возможно при прохождении воды, формирующейся за счёт атмосферных осадков, через толщу отходов, насыщении их загрязняющими веществами, фильтрации через толщу покровных отложений и проникновении в водоносный горизонт. В таких условиях скорость распространения и количество загрязняющих веществ определяются, с одной стороны, количеством воды, способной к инфильтрации и, с другой стороны, проницаемостью покровных отложений, перекрывающих водоносный горизонт и их поглощающими свойствами в отношении элементов фильтрующегося раствора.

В условиях вертикальной фильтрации характер движения воды зависит от соотношения напоров в водоносном горизонте и толще отходов. В естественных условиях уровень подземных вод расположен выше подошвы перекрывающих отложений, что создаёт условия для неразрывной нисходящей фильтрации. Скорость фильтрации определяется значениями величины интенсивности инфильтрации и коэффициента фильтрации наименее проницаемых покровных отложений.

На участке золоотвала разрез покровных отложений представлен двумя слоями: слоем торфа, залегающего с поверхности и имеющего среднюю мощность 1,2 м, и слоем суглинков, имеющим среднюю мощность 10,4 м.

Наименьшее значение коэффициента фильтрации в разрезе имеют суглинки — 0,016 м/сут.

Величина интенсивности инфильтрации на участке составляет 0,0018 м/сут (659 мм/год) на I стадии заполнения золоотвала, 0,0013 м/сут (502 мм/год) на II стадии заполнения золоотвала и 0,0005 м/сут (187 мм/год) после формирования золоотвала.

Для оценки скорости загрязнителя необходимо оценить максимально возможную интенсивность инфильтрации через покровные отложения. Уровень подземных вод в водоносном горизонте расположен на глубине 1,2 м от поверхности земли. Максимальная интенсивность инфильтрации через покровные отложения будет отмечаться в периоды паводка, когда можно будет ожидать заполнения толщи торфов водой. При этом напор на кровле суглинков будет соответствовать уровню поверхности земли и перепад напоров между кровлей и подошвой составит 1,2 м. Градиент напора при этом будет равен 1,2 / 10,4 = 0,12. При коэффициенте фильтрации, равном 0,016 м/сут, скорость фильтрации составит 0,016 × 0,12 = 0,0019 м/сут, что превышает величину инфильтрационного питания на всех этапах эксплуатации золоотвала. Таким образом, видно, что покровные отложения в достаточной степени проницаемы для того, чтобы вся вода, поступающая в течение года на участок золоотвала с атмосферными осадками, инфильтровалась в водоносный горизонт без превышения среднегодовым уровнем воды в торфах поверхности земли. В то же время заболачивание возможно в периоды интенсивного поступления атмосферных осадков, а также возможно и локальное заболачивание на отдельных пониженных участках и в локальных зонах с пониженной проницаемостью покровных суглинков.

Поступление воды в виде атмосферных осадков происходит неравномерно в течение года. Осадки, выпадающие с декабря по март, выпадают в виде снега и инфильтруются в апреле. Распределение осадков за вычетом испарения (с коэффициентом относительного испарения 0,8) представлено в табл. 2. Там же приведена величина инфильтрационного питания, определенного для разных этапов заполнения золоотвала, распределенная по месяцам пропорционально величине атмосферных осадков за вычетом испарения.

Таблица 2.

Распределение инфильтрационного питания по месяцам, мм

Месяц	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	Год
Осадки – испарение	187	6	0	2	12	68	69	66	410
Инфильтрационное питание
I этап заполнения	301	10	0	3	19	109	111	106	301
II этап заполнения	229	7	0	2	15	83	85	80	229
После заполнения	85	3	0	1	5	31	32	30	85

Максимальная скорость фильтрации через суглинки, при превышении которой будет происходить заболачивание, составляет 0,0019 м/сут, что равно месячному слою 69 мм. Как видно, на I этапе заполнения золоотвала количество осадков, поступающих в апреле при снеготаянии, а также с октября по ноябрь существенно превышают скорость фильтрации через суглинки. При этом количество осадков, поступающих в апреле настолько высоко, что обеспечивает условия для формирования заболоченности в течение значительной части летнего периода. Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что уровень воды в торфах и золе будет выше современного уровня земли значительную часть года, и будет снижать только в зимние месяцы. На начальном этапе заполнения золоотвала это означает, что большая часть его территории будет заболочена.

Оценим уровень воды, при котором скорость фильтрации через суглинки будет обеспечивать инфильтрацию всей воды, поступающей на первом этапе заполнения золотвала в наиболее водный месяц (апрель). Месячному слою 301 мм соответствует скорость фильтрации 0,01 м/сут. При величине коэффициента фильтрации суглинков равном 0,016 м/сут., и мощности суглинков 10,4 м, такая скорость фильтрации формируется при разнице напоров на кровле и подошве суглинков в 6,5 м. При залегании уровня воды в водоносном горизонте на глубине 1,2 м, такая разница возможна при формировании уровня воды в золоотвале на 5,3 м выше современного уровня земли. Однако, для формирования такой мощности водонасыщенного слоя недостаточно воды. Как показано выше, среднегодовая скорость перетока через суглинки обеспечивает инфильтрацию всей поступающей в течение года воды без превышения среднегодовым уровнем поверхности земли. То есть, вода, поступающая в апреле, а также в осенний паводок, перетекает через суглинки в течение всего года. В начале апреля уровень в торфах не должен превышать уровня земли. Тогда в слое золы слой воды поступающей в апреле (301 мм) за вычетом инфильтрации в течение месяца (57 мм) при пористости золы в 45 % сформирует водонасыщенный слой 542 мм. Это и будет предельным значением мощности водонасыщенного слоя золы.

Формирование золоотвала будет происходить неравномерно даже в процессе заполнения I очереди. Поверхность I очереди золоотвала не горизонтальна и представляет собой поверхность с уклоном на запад. Абсолютные отметки поверхности земли меняются от 1 до 4 м. В первую очередь будет происходить заполнение пониженной части золоотвала, примыкающей к ограждающей дамбе, при этом осадки, выпадающие на площадку золоотвала, и поступающие с территории II очереди. До момента выравнивания территории I очереди золоотвала, интенсивная инфильтрация осадков будет происходить в пониженной части. После выравнивания, когда поступающая вода будет впитываться в толщу золы и равномерно перераспределяться по все территории золоотвала, инфильтрацию воды вниз можно будет принять равномерной по площади. Таким образом, условия для повышенной скорости перетекания воды будут существовать до момента заполнения золоотвала до абсолютной отметки 4 м. При интенсивности заполнения золоотвала 87 000 т/год, плотности укатанной золы 1500 кг/м³, площади I очереди золоотвала 322 000 м² время выравнивания поверхности I очереди золоотвала составит:

В течение этого времени будут существовать условия для сбора воды в пониженной части золоотвала и более интенсивного перетекания загрязненной воды через слой суглинков в этом месте. При этом не вся вода, поступающая на площадь золоотвала за год, будет просачиваться через суглинки, часть воды будет скапливаться в теле золоотвала, увеличивая напор на кровле суглинков и, следовательно, скорость фильтрации через них. Максимально возможный уровень воды в толще золы, который может сформироваться при этом, соответствует абсолютной отметке 4,0 м и будет превышать уровень земли в наиболее пониженной части золоотвала на 3,0 м. Градиент напора в суглинках в наиболее пониженной части золоотвала составит (1,2 + 3,0) / 10,4 = 0,4, а скорость фильтрации — 0,016 × 0,4 = 0,0064 м/сут.

Таким образом, скорость фильтрации через покровные суглинки составит:

- на начальном этапе заполнения золоотвала — 6,4∙10^-3 м/сут;

- на I этапе заполнения золоотвала — 1,8∙10^-3 м/сут;

- на II этапе заполнения золоотвала — 1,3∙10^-3 м/сут;

- после заполнения золоотвала — 0,5∙10^-3 м/сут.

Оценка скорости миграции загрязняющих веществ

Загрязняющие вещества, содержащиеся в золе, не являются нейтральными мигрантами. Представляющие наибольшую опасность из всех компонентов золы, ванадий и молибден хорошо сорбируются на глинистых минералах. По результатам лабораторного эксперимента, коэффициент распределения для ванадия в суглинках составляет 198, для молибдена — 15. Для учёта сорбции при расчётах движения фронта сорбируемого мигранта вместо величины пористости применяют величину эффективной пористости, численно равную сумме пористости и коэффициента распределения.

С учётом сорбции, скорость движения фронта загрязнения подземных вод ванадием составит:

- на начальном этапе заполнения золоотвала — 3,2∙10^-5 м/сут;

- на I этапе заполнения золоотвала — 0,9∙10^-5 м/сут;

- на II этапе заполнения золоотвала — 0,7∙10^-5 м/сут;

- после заполнения золоотвала — 0,3∙10^-5 м/сут.

За 1 год фронт загрязнения будет проходить:

- на начальном этапе заполнения золоотвала — 0,012 м;

- на I этапе заполнения золоотвала — 0,003 м;

- на II этапе заполнения золоотвала — 0,003 м;

- после заполнения золоотвала — 0,001 м.

При продолжительности Начального этапа в 8,3 года, общей продолжительности I этапа заполнения золоотвала в 15 лет и общем сроке эксплуатации объекта в 25 лет, за время работы золоотвала фронт загрязнения ванадием пройдёт в толще суглинков:

0,012×8,3 + 0,003×6,7 +0,003×10,0 = 0,15 м.

В дальнейшем фронт загрязнения будет двигаться через толщу суглинков со скоростью 1 мм в год. Для прохождения толщи суглинков и попадания в водоносный горизонт загрязнению потребуется (10,4 – 0,15) / 0,001 = 10 000 лет. Аналогичный расчёт, проведённый для молибдена, показывает, что время проникновения загрязнения в водоносный горизонт через толщу покровных суглинков составляет 760 лет. При этом, оценка времени распространения загрязнения не учитывает необратимой сорбции, которая происходит при миграции металлов через глинистые отложения, поэтому оценка времени проникновения загрязнения в водоносный горизонт вероятно является заниженной.

Выводы

Расчёт, проведенный на основании оценки балансовой структуры потока подземных вод в теле строящегося золоотвала, позволила оценить максимальные скорости фильтрации через покровные отложения на разных этапах эксплуатации объекта. Оценки, проведенная на основании балансовых характеристик, показали, что опасность техногенного загрязнения подземных вод на этом участке невысока и срок проникновения потенциального загрязнения в водоносный горизонт, залегающий под толщей покровных отложений, превышает 700 лет. Таким образом, строительство золооотвала является безопасным с точки зрения возможного загрязнения подземных вод.